橡树岭国家实验室的科学家们使用新技术创造了一种复合材料，可以增加铜线的电流容量，提供一种新材料，可以扩展用于超高效、功率密集的电动汽车牵引电机。
该研究旨在减少更广泛采用电动汽车的障碍，包括降低拥有成本以及提高电动机和电力电子设备等组件的性能和寿命。该材料可以部署在任何使用铜的组件中，包括更高效的母线和更小的电动汽车牵引逆变器连接器，以及无线和有线充电系统等应用。
为了生产更轻且性能更好的导电材料，ORNL 的研究人员在平坦的铜基板上沉积并排列了碳纳米管，从而产生了比单独使用铜具有更好的电流处理能力和机械性能的金属基复合材料。
将碳纳米管或 CNTs 结合到铜基体中以提高导电性和机械性能并不是一个新想法。碳纳米管因其重量轻、强度高和导电性能好而成为绝佳的选择。但是其他研究人员过去对复合材料的尝试导致材料长度非常短，只有微米或毫米，并且可扩展性有限，或者更长的长度表现不佳。
ORNL 团队决定尝试使用静电纺丝沉积单壁碳纳米管，这是一种商业上可行的方法，可以通过电场以液体射流的速度制造纤维。ORNL 化学科学部的博士后研究员 Kai Li 解释说，该技术可以控制沉积材料的结构和方向。在这种情况下，该过程使科学家能够成功地将 CNT 定向在一个大方向上，以促进电流的增强。
然后，该团队使用磁控溅射(一种真空镀膜技术)在涂有 CNT 的铜带上添加薄薄的铜膜层。然后将涂覆的样品在真空炉中退火，通过形成致密、均匀的铜层并允许铜扩散到 CNT 基质中来产生高导电性的 Cu-CNT 网络。
使用这种方法，ORNL 的科学家创造了一种铜碳纳米管复合材料，长 10 厘米，宽 4 厘米，具有特殊的特性。使用能源部科学办公室用户设施 ORNL 纳米相材料科学中心的仪器分析材料的微观结构特性。研究人员发现，与纯铜相比，这种复合材料的电流容量提高了 14%，机械性能提高了 20%，详见ACS Applied Nano Materials。
该项目的首席研究员 Tolga Aytug 说：“通过将碳纳米管的所有优良特性嵌入到铜基体中，我们的目标是获得更好的机械强度、更轻的重量和更高的电流容量。然后你就可以用更少的功率获得更好的导体“损失，这反过来又提高了设备的效率和性能。例如，提高性能意味着我们可以减少先进电机系统的体积并增加功率密度。”
这项工作建立在 ORNL 丰富的超导研究历史之上，该研究已经生产出具有低电阻导电的优质材料。该实验室的超导线材技术已授权给多家行业供应商，可实现大容量电力传输等用途，同时将功率损耗降至最低。
Aytug 说，虽然新的复合材料突破对电动机有直接影响，但它也可以改善效率、质量和尺寸是关键指标的应用中的电气化。他说，通过商业上可行的技术实现的改进性能特性意味着为广泛的电气系统和工业应用设计先进导体的新可能性。
ORNL 团队还在探索使用双壁碳纳米管和其他沉积技术，例如超声波喷涂与卷对卷系统相结合，以生产约 1 米长的样品。
“电动机基本上是金属——钢叠片和铜绕组的组合，”ORNL 电力驱动技术项目经理兼电力电子和电机组负责人 Burak Ozpineci 指出。“为了满足能源部车辆技术办公室的 2025 年电动汽车目标和目标，我们需要提高电力驱动的功率密度并将电机体积减少 8 倍，这意味着改善材料性能。”
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